專利名稱：光子晶體led的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包括光子晶體的發(fā)光二極管。
背景技術(shù)：
在當(dāng)今現(xiàn)代社會，發(fā)射可見光的發(fā)光二極管的使用是廣泛的。發(fā)光二極管的應(yīng)用 包括發(fā)光標(biāo)志(例如出口標(biāo)志或緊急標(biāo)志)、用于車輛的燈(例如剎車燈)、用于大尺度視 頻顯示器的背光照明以及用于諸如擱架之類的家具的照明系統(tǒng)。然而，發(fā)光二極管針對像 投影源或車頭燈那樣的應(yīng)用的用途不那么快速地增長，這歸因于普通發(fā)光二極管的發(fā)射角 度寬這一事實。對于這些應(yīng)用而言，希望的是使用具有高度準(zhǔn)直的光的光源。許多發(fā)光二極管(LED)遭受差的提取效率，即與LED中產(chǎn)生的光相比，從發(fā)光二極 管(LED)逸出的光量是小的。LED的常見問題在于，光在LED材料中的全內(nèi)反射使得光陷 在LED內(nèi)并且因而不從LED選出。全內(nèi)反射的一個原因在于，在發(fā)光材料與空氣之間存在 大的折射率差。陷在LED內(nèi)的光最終將被吸收和損失。為了減少由于全內(nèi)反射而被俘獲的 光量，提出了一種用于提高提取效率的方法。該方法通過在LED的發(fā)光表面提供粗糙化區(qū) 域?qū)崿F(xiàn)了改進的提取效率。提取效率的又一個改進借助于在LED材料中提供周期性結(jié)構(gòu) 而實現(xiàn)。周期性結(jié)構(gòu)的實例是光子晶體(PC)。通過將光子晶體設(shè)置成靠近LED的活性區(qū) (active region)，獲得提取效率的改進。光子晶體形成間隙(或腔)，其以特定角度衍射 光。為了進行理論建模，LED的光發(fā)射(輻射場)劃分成包括接近活性層和光子晶體結(jié)構(gòu) 的電場的近場以及與從(遠(yuǎn)離)LED觀察的實際光發(fā)射相應(yīng)的遠(yuǎn)場。具有光子晶體結(jié)構(gòu)的 許多發(fā)光二極管的問題在于，LED的遠(yuǎn)場發(fā)射顯示出較亮和/或較暗的斑、點或類似物的規(guī) 則模式(pattern)。在美國專利申請2005/0173714A1中，公開了一種固態(tài)照明系統(tǒng)的外延結(jié)構(gòu)。該固 態(tài)照明系統(tǒng)包括活性層，其響應(yīng)于注射到該層中的電流而發(fā)射光；鄰近活性層的第一結(jié) 構(gòu)，其中該結(jié)構(gòu)和活性層被設(shè)置成俘獲活性層產(chǎn)生的光并且引導(dǎo)光平行于活性層；以及設(shè) 置在引導(dǎo)層上的第二結(jié)構(gòu)，其預(yù)期用于提取由第一結(jié)構(gòu)俘獲的光，其中第二結(jié)構(gòu)包括多個 具有不同參數(shù)的光子晶體陣列。此外，在每個照明系統(tǒng)中存在許多光子晶體單元(cell)。 依照一個實施例，芯片中光子晶體單元和電極的幾何形狀被設(shè)置成正方形單元的形式。每 個單元具有不透明的電極，并且包括用于提取光的光子晶體。2005/0173714A1中公開的固 態(tài)照明系統(tǒng)的目的是提供改進的提取效率。在這種類型的固態(tài)照明系統(tǒng)中，光子晶體單元在照明系統(tǒng)的表面上重復(fù)。這種固 態(tài)照明系統(tǒng)的缺點在于，從多個光子晶體單元發(fā)出的組合的遠(yuǎn)場模式可能是非均勻的，即 遠(yuǎn)場模式可能具有明亮的斑、點、圓或類似物。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是減輕現(xiàn)有技術(shù)的至少一些上述問題。這個目的是通過如獨立權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管來滿足的。從屬權(quán)利要求中限定了特定的實施例。依照本發(fā)明的一個方面，提供了一種半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)，其包括用于跨活性 區(qū)施加電壓的第一和第二電極。活性區(qū)設(shè)置在第一類型半導(dǎo)體層與第二類型半導(dǎo)體層之間 以便產(chǎn)生光。該LED還包括用于發(fā)射光的發(fā)光表面以及設(shè)置在活性區(qū)與發(fā)光表面之間的多 個光子晶體。在所述多個光子晶體中選擇的至少兩個第一和第二類型的光子晶體適于從所 述活性區(qū)提取光并且在至少一個晶格參數(shù)方面彼此不同。所述至少兩個光子晶體中的每一 個與對應(yīng)的遠(yuǎn)場模式關(guān)聯(lián)。此外，提供了所述多個光子晶體的布置以便設(shè)置所述至少兩個 光子晶體，使得通過組合與所述至少兩個光子晶體中的每一個關(guān)聯(lián)的所述對應(yīng)的遠(yuǎn)場模式 形成來自所述LED中產(chǎn)生的光的總遠(yuǎn)場模式。本發(fā)明的思想是提供一種發(fā)光二極管，其具有劃分成子區(qū)域的發(fā)光區(qū)域。這些子 區(qū)域中的至少一些設(shè)有不同的光子晶體(PC)，這些光子晶體的不同之處在于，其對應(yīng)的晶 格參數(shù)(包括如下面進一步解釋的晶格類型、晶格間距、填充率(fill fraction)和晶格取 向)中的至少一個彼此不同。子區(qū)域充當(dāng)許多不同的光源，其中每個光源具有不同的輻射 模式(或輻射場)。在遠(yuǎn)場中，與每個相應(yīng)光源(即光子晶體)關(guān)聯(lián)的不同輻射模式組合成 一種模式，該模式與從具有例如相同光子晶體的LED發(fā)出的遠(yuǎn)場模式相比可以具有改進的 均勻性，或者可以具有對稱性提高的準(zhǔn)直光發(fā)射。換而言之，形成依照本發(fā)明的發(fā)光二極管的基礎(chǔ)的原理是提供包括至少兩種不同 類型的光子晶體的LED。在至少一個晶格參數(shù)方面彼此不同的兩個光子晶體被認(rèn)為是不同 的類型。不同類型的光子晶體形成光子晶體的布置，使得從LED發(fā)射的光的總遠(yuǎn)場模式比 與不同類型光子晶體關(guān)聯(lián)的各遠(yuǎn)場模式中的每一個更均勻。通過這種方式，降低了來自較 暗和/或較亮的斑、點和/或類似物(此后稱為遠(yuǎn)場模式的不規(guī)則性)的影響。已經(jīng)觀察 到，具有PC的現(xiàn)有技術(shù)LED中的遠(yuǎn)場模式的不規(guī)則性由光子晶體中腔(孔)的規(guī)則分布而 造成。此外，應(yīng)當(dāng)指出的是，所述不規(guī)則性與光子晶體模式中的對稱性相應(yīng)。因此，希望的 是如本申請公開內(nèi)容中所描述的那樣打破PC中孔的分布的規(guī)則性。因此，依照本發(fā)明的發(fā)光二極管的有利效果在于，它提供了光發(fā)射，其遠(yuǎn)場輻射模 式可以比具有僅僅一種類型的光子晶體的情況具有提高的均勻性或者顯示更少的斑(不 規(guī)則性)。另一個優(yōu)點在于，任何特定應(yīng)用所需的許多不同遠(yuǎn)場輻射模式可以被設(shè)計成具有 固定數(shù)量的最優(yōu)化光子晶體。可以通過選擇LED的光子晶體的不同布置來獲得不同的設(shè) 計，即改變光子晶體的位置。例如，對于背光應(yīng)用而言，希望的是提供具有大量相對于LED 法線的60°與80°之間的發(fā)射的LED。應(yīng)當(dāng)指出的是，光子晶體可以形成為最靠近發(fā)光表面的半導(dǎo)體層的一部分。光子 晶體層可以從發(fā)光表面延伸通過提到的最靠近發(fā)光表面的半導(dǎo)體層，可能還通過活性區(qū)。 此外，光子晶體層可以延伸到與LED的發(fā)光表面相比的活性區(qū)相對側(cè)的半導(dǎo)體層中。然而， 光子晶體也可以在與最靠近發(fā)光表面的半導(dǎo)體層不同的單獨層中形成。通常，光子晶體包 括孔、柱(pole)和/或類似物的點陣。在下文(和前文)中，孔的提及應(yīng)當(dāng)被解釋成孔和 /或柱和/或類似物。在一些實施例中，光子晶體可以包括光子準(zhǔn)晶體。此外，在其他實施例中，LED的 發(fā)光表面還可以包括用于粗糙化LED的發(fā)光表面的裝置。通過這種方式，用于粗糙化發(fā)光表面的裝置提供了均勻的背景發(fā)射，其降低了設(shè)有光子晶體的區(qū)域與未設(shè)有光子晶體的區(qū) 域之間的對比度。在依照本發(fā)明的LED的一個實施例中，優(yōu)選的是光子晶體的布置以隨機的方式設(shè) 置(放置或定位)不同的光子晶體。此外或者可替換地，該布置可以以變化(在至少一個 晶格參數(shù)方面)的方式設(shè)置不同的光子晶體。例如，晶格參數(shù)可以依照線性函數(shù)(或者任 何類型和/或階次的函數(shù))從一種光子晶體變化為另一種(鄰近的)光子晶體，使得從LED 發(fā)射的光的遠(yuǎn)場模式的均勻性得到提高。此外，光子晶體的布置附加地或者可替換地可以 將不同類型的光子晶體非周期性地設(shè)置在發(fā)光表面內(nèi)(更特別地設(shè)置在活性區(qū)與發(fā)光表 面之間的半導(dǎo)體層內(nèi))，其中改善了來自不同光子晶體的組合的遠(yuǎn)場模式，即存在較少的或 減少的斑或類似物。在依照本發(fā)明的LED的實施例中，所述布置被設(shè)置成以不規(guī)則的方式將至少兩種 不同類型的上述光子晶體放置在發(fā)光表面內(nèi)。因此，已經(jīng)注意到可以通過如下方式獲得具 有提高的均勻性的從LED發(fā)射的光的總遠(yuǎn)場模式優(yōu)選地像上面那樣不規(guī)則地將不同光子 晶體設(shè)置在發(fā)光表面(發(fā)光區(qū)域)內(nèi)，使得關(guān)聯(lián)的不同光子晶體的不同遠(yuǎn)場模式以這樣的 方式交互，使得與一定光子晶體關(guān)聯(lián)的遠(yuǎn)場模式的不規(guī)則性(更亮或更暗的斑或點或圓) 相對于與另一光子晶體關(guān)聯(lián)的另一遠(yuǎn)場模式的不規(guī)則性(更亮或更暗的斑或點或圓)出現(xiàn) 在不同的位置(或者不同地表達(dá)，關(guān)聯(lián)的光子晶體的遠(yuǎn)場模式優(yōu)選地應(yīng)當(dāng)至少部分地不關(guān) 于其各自的空間擴展相應(yīng))。再換而言之，關(guān)聯(lián)的光子晶體的遠(yuǎn)場模式優(yōu)選地應(yīng)當(dāng)至少輕微 地彼此異相。在依照本發(fā)明的LED的另外的實施例中，可能希望的是以規(guī)則的方式放置(設(shè)置 或定位)不同類型的光子晶體。特別地，來自光子晶體的遠(yuǎn)場模式中的更亮和/或更暗的 斑必須充分地重疊，以便在特定范圍內(nèi)的立體角中提供發(fā)射的功率。例如，當(dāng)使用不同晶格 類型(例如六角形和三角形晶格)的光子晶體時，遠(yuǎn)場模式中的斑可以重疊，并且因而再現(xiàn) 具有更少和/或較不明顯的(模糊的)不規(guī)則性(斑等等)的遠(yuǎn)場模式。此外，晶格參數(shù)可以是晶格取向、晶格間距、晶格類型或填充率之一或者其組合。 應(yīng)當(dāng)指出的是，術(shù)語“晶格參數(shù)”包括晶格取向，即如果兩個光子晶體取向不同，那么即使它 們具有相同的間距、填充率和晶格類型，也認(rèn)為它們是不同的(或者不同的類型)。例如，光 子晶體可以具有相同或相似的短程序(short-range order)，但是具有稍微不同的間距，或 者具有相同或相似的間距，但是具有不同的填充率。此外，光子晶體可以具有相同的(或相 似的)間距和形狀，但是不同之處在于，晶格類型不同，即六角形結(jié)構(gòu)與三角形(或立方) 晶格結(jié)構(gòu)不同。應(yīng)當(dāng)注意到，所述光子晶體中的一些可以具有相同的晶格參數(shù)，即不要求 LED的所有光子晶體具有至少一個不同的晶格參數(shù)。應(yīng)當(dāng)理解的是，術(shù)語“填充率”指的是光子晶體成分(例如孔、柱或類似物)的維 度，即孔的直徑從一種光子晶體到另一光子晶體是不同的，而其他參數(shù)(比如間距)保持恒 定。典型地，對于可見光而言，孔(或柱)的直徑處于30nm-700nm的范圍內(nèi)。光子晶體的間距(或晶格常數(shù))被定義為光子晶體晶格中從孔(或柱或類似物) 的中心到鄰近孔的中心的距離。對于可見光而言，該距離典型地處于SOnm-SOOnm的范圍 內(nèi)。通常，最佳的間距(或晶格間距)隨著發(fā)射的光的波長而增大。在依照本發(fā)明的LED的實施例中，LED的間距和填充率可以通過利用其折射率對于空氣和半導(dǎo)體材料不同的材料填充半導(dǎo)體材料中的孔(或者柱之間的間隙)來改變。例 如，可以使用(多孔)硅石、氧化鉭、氧化鋯和氧化鈦。通過增大孔中的折射率，光子晶體的 間距和填充率增大。上述晶格類型可以包括六角形、三角形和立方結(jié)構(gòu)中的至少一個。許多類型的晶 體結(jié)構(gòu)在本領(lǐng)域中是已知的，其全部可以用在依照本發(fā)明實施例的LED中。上述低階結(jié)構(gòu) (六角形結(jié)構(gòu)等等)并非意在將本發(fā)明的范圍限于這些類型。任何低階結(jié)構(gòu)都可以采用。 也可以使用諸如向日葵結(jié)構(gòu)之類的高階結(jié)構(gòu)或不同類型的阿基米德平鋪(tiling)。甚至也 可以應(yīng)用隨機晶體結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，晶格類型提供非旋轉(zhuǎn)對稱遠(yuǎn)場模式。一個實例是準(zhǔn)晶體， 比如向日葵中的螺旋結(jié)構(gòu)，其適合用于像射束器、LCD背光源和汽車前燈那樣的應(yīng)用。然而， 應(yīng)當(dāng)注意到，在一些實施例中，優(yōu)選的是具有旋轉(zhuǎn)對稱的遠(yuǎn)場模式。對于像聚光燈那樣的應(yīng) 用，情況就是如此。在依照本發(fā)明的LED的另一實施例中，可以任意選擇子區(qū)域的尺寸和形狀(維 度)，即光子晶體的形狀。特別地，子區(qū)域(或光子晶體)的最小尺寸取決于特定光子晶體 的相互作用長度。優(yōu)選地，子區(qū)域的形狀可以是多邊形形狀，例如矩形、三角形、正方形形狀 或者其組合。最優(yōu)選地，子區(qū)域具有相同的形狀。通常，子區(qū)域為正方形形狀，以便有利于 制造過程。在依照本發(fā)明的LED的其他實施例中，第一類型半導(dǎo)體層為N型半導(dǎo)體層并且第 二類型半導(dǎo)體層為P型半導(dǎo)體層。有利的是，由于N型材料通常是比P型半導(dǎo)體材料更好 的電流導(dǎo)體，因而實現(xiàn)了在整個活性區(qū)上散布的電流，并且因而整個活性區(qū)可以用來產(chǎn)生 光且整個發(fā)光頂面可以用來提取光。此外，N型層設(shè)置在LED的活性區(qū)與發(fā)光表面之間，并且P型層設(shè)置在與N型層相 比的活性區(qū)的相對側(cè)?？商鎿Q地，在依照本發(fā)明的LED的實施例中，第一類型半導(dǎo)體層為P型半導(dǎo)體層并 且第二類型半導(dǎo)體層為N型半導(dǎo)體層。而且，光子晶體被設(shè)置成彼此鄰近，以便利用光子晶體連續(xù)地覆蓋LED的發(fā)光表 面的至少一部分。有利的是，通過這種方式最大化了光子晶體的影響。光子晶體的應(yīng)用有 助于提取的增大以及光束形狀和準(zhǔn)直效率的改善。在依照本發(fā)明的LED的另外的實施例中，第二電極包括設(shè)置在與發(fā)光表面相比的 活性區(qū)的相對側(cè)的子電極。第一和第二子電極分別與第一和第二類型的對應(yīng)光子晶體關(guān) 聯(lián)。此外，可以通過向第一和第二子電極中的每一個施加對應(yīng)的電壓來單獨控制第一和第 二子電極，其中由于來自第一和第二類型的所述光子晶體的遠(yuǎn)場模式之間的差異的原因， 可以動態(tài)地控制所述LED的遠(yuǎn)場模式。通過這種方式，創(chuàng)建了若干或性子區(qū)域(或子“活性 區(qū)”)。這些活性子區(qū)可以通過在其上施加電壓而激活。結(jié)果，可以通過選擇(激活)不同 的子電極來激活活性區(qū)的不同部分。有利的是，所述LED可以動態(tài)地(無需任何硬件變化) 提供不同類型的光束形狀(遠(yuǎn)場模式)，例如用于閱讀的一種類型的光束形狀(具有準(zhǔn)直的 光)以及用于觀看電視的另一種類型的光束形狀(具有寬發(fā)射)。一些光束形狀可以甚至 將發(fā)射完全定向到側(cè)面，而在LED法線的方向上沒有任何光。更特別地，所述子電極可以與對應(yīng)光子晶體關(guān)聯(lián)。優(yōu)選的是使子電極的尺寸和 形狀與對應(yīng)光子晶體的尺寸和形狀匹配。通過這種方式，可以提供對于遠(yuǎn)場發(fā)射的更容的一些可以與不包含光子晶體的LED 表面區(qū)域關(guān)聯(lián)，但是該表面區(qū)域可能經(jīng)過其他技術(shù)(比如粗糙化)處理以便獲得均一的 (homogeneous)發(fā)身寸模式。因此，依照本發(fā)明的上述實施例，提供了一種LED，其中所述電極之一被劃分成子 電極，其中可以通過在這些子電極的每一個子電極處施加電壓來單獨控制每個子電極。該 實施例的一個優(yōu)點在于，從LED發(fā)射的光的強度分布(亮度)可以通過對不同的子電極選 擇不同的電壓(根本沒有電壓也是一種可能的選項)來控制。此外，可以改善來自活性區(qū)的熱傳遞。這可以通過例如僅激活產(chǎn)生光的整個活性 區(qū)的部分來獲得。其中產(chǎn)生光的部分可以稱為活性部位，并且不產(chǎn)生光的活性區(qū)的部分可 以稱為失活部位(關(guān)聯(lián)的子電極失活)。當(dāng)驅(qū)動活性部位以發(fā)射光時，它也產(chǎn)生熱量。該熱 量可以在周圍失活部位消散，其從而提供了局部散熱。通過這種方式，與當(dāng)所有的子電極被 尋址并且不存在用于提供局部散熱的失活部位時相比，可以施加更高的通過激活部位的電 流。在依照本發(fā)明的LED的另外的實施例中，設(shè)置在與發(fā)光表面相比的活性區(qū)的相對 側(cè)的第一類型半導(dǎo)體層被劃分成子元件，每個子元件與相應(yīng)的子電極關(guān)聯(lián)。有利的是，實現(xiàn) 了用于產(chǎn)生光的活性區(qū)之間的改善的分離。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，可以組合本發(fā)明的不同特征以便創(chuàng)建不同于下文所 述的實施例，這并不脫離由所附獨立權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范圍。


根據(jù)以下作為非限制性實例而提供的本發(fā)明實施例的詳細(xì)描述以及附圖，將容易 理解本發(fā)明的各個不同方面，在附圖中圖1示出了依照本發(fā)明實施例的發(fā)光二極管的截面圖；圖2a和圖2b示出了來自對應(yīng)光子晶體類型的遠(yuǎn)場模式；圖2d和圖2e示出了在至少一個晶格參數(shù)方面不同的兩種光子晶體；圖2c和圖2f示出了來源于具有如圖2a_2b和圖2d_2e中所示的不同類型光子晶 體的區(qū)域的不同遠(yuǎn)場之間的干涉；圖3示出了依照本發(fā)明另一實施例的發(fā)光二極管的俯視平面圖；圖4示出了依照本發(fā)明另一實施例的發(fā)光二極管的俯視平面圖；圖5示出了依照本發(fā)明又一實施例的發(fā)光二極管的截面圖；圖6示出了依照本發(fā)明又一實施例的發(fā)光二極管的截面圖；以及圖7示出了依照本發(fā)明實施例的發(fā)光二極管的截面圖。
具體實施例方式在以下附圖中，當(dāng)可應(yīng)用時，相似的附圖標(biāo)記在整個描述中用于相似的部分或特 征。在圖1中，示出了依照本發(fā)明實施例的示例性發(fā)光二極管1 (LED)。LED 1包括外 延層21、30的半導(dǎo)體疊層。在該特定實例中，半導(dǎo)體疊層具有400nm的總厚度，并且由GaN 制造。該疊層(依照圖1，自底至頂)包括第一電極40、與第一電極40連接的P型半導(dǎo)體層30、活性區(qū)4、N型層21、與N型層21連接的第二電極11 (或電極布置)以及發(fā)光區(qū)域(發(fā) 光表面)6。光子晶體101、102在N型層21內(nèi)形成為孔。光子晶體層101、102的厚度可以 增大，以便延伸到活性區(qū)(量子阱)中和/或延伸到P型層中。在這個實例中，N型層21中 光子晶體類型101的孔的尺寸(直徑)近似為IOOnm并且孔的深度為250nm。類型101的 光子晶體的晶格間距為470nm。N型層21中另一類型的光子晶體102的孔的尺寸(直徑) 為120nm并且孔的深度為250nm。類型101的光子晶體的晶格間距為490nm。光子晶體101、 102的晶格類型為六角形晶格類型(對于其他實例，晶格類型可能不同)。光子晶體的區(qū)域 具有六角形形狀并且在直徑方面具有近似50 μ m的直徑(未示出)。即使未示出，對于Imm2 的發(fā)光表面而言，圖1中LED上的光子晶體區(qū)域的數(shù)量通常在50-2500的范圍內(nèi)。當(dāng)操作圖1中的LED時，通過在第一 40和第二 11電極處設(shè)置兩個不同的電位水 平跨活性區(qū)4施加電壓。通過這種方式，活性區(qū)4產(chǎn)生光，該光通過LED 1的發(fā)光表面6發(fā) 射。圖2a_2f示出了來自包含不同類型光子晶體的區(qū)域的不同遠(yuǎn)場模式如何相加(干 涉或組合)以便改進從整個LED發(fā)射的光引起的總遠(yuǎn)場的均勻性。在圖2a和圖2b中，示出了兩種不同的遠(yuǎn)場模式，其中每種模式與對應(yīng)光子晶體類 型相應(yīng)。標(biāo)記_90、0和90表示相對于在圖2a和圖2b中分別位于半圓的中心的LED的法 向軸的度數(shù)。圖2a中的遠(yuǎn)場模式越靠近遠(yuǎn)場模式的外圍越亮，如起源于半圓中心的線所 示，而圖2b中的遠(yuǎn)場模式在遠(yuǎn)場模式的中心附近更亮，類似地如起源于另一半圓的中心的 線所示。圖2a和圖2b的遠(yuǎn)場模式分別與圖2d和圖2e中示出的對應(yīng)光子晶體類型關(guān)聯(lián)。 在該實例中，光子晶體在晶格類型方面彼此不同。圖2d中的光子晶體由三角形晶格類型 (結(jié)構(gòu))形成，圖2e中的光子晶體由六角形晶格類型形成。晶格類型、間距或填充率的其他 組合也是可能的。在圖2f中，示出了包含圖2d和圖2e中所示的光子晶體的LED。至少一些如圖2d 中所示的光子晶體的取向是不同的。為了清楚起見，僅示出了兩種類型的光子晶體，但是為 了獲得具有提高的均勻性的遠(yuǎn)場模式，優(yōu)選的是使用超過兩種類型的光子晶體。所需的光 子晶體類型的確切數(shù)量取決于應(yīng)用和遠(yuǎn)場的需要的均一性(homogeneity)。對于許多應(yīng)用 而言，5和15之間的不同光子晶體將足以獲得需要的遠(yuǎn)場發(fā)射。圖2c中顯示了由依照圖2f的LED發(fā)射的光得到的遠(yuǎn)場模式?？梢钥闯觯瑘D2d的 光子晶體的遠(yuǎn)場模式和圖2e的光子晶體的遠(yuǎn)場模式一起產(chǎn)生比圖2a和圖2b中所示的單 獨的遠(yuǎn)場模式更均勻的遠(yuǎn)場模式。這些不同遠(yuǎn)場模式的更亮的區(qū)域是非一致的，即這些模 式的更亮的區(qū)域是非重疊的或異相的。應(yīng)當(dāng)理解的是，由在遠(yuǎn)場中產(chǎn)生不同發(fā)射模式的區(qū) 域的位置引起的LED的引入的改進的總遠(yuǎn)場模式與單獨的光子晶體的位置去耦合。因此， 在LED的總遠(yuǎn)場模式中未示出LED的光子晶體的單獨的特性。參照圖3，示出了依照本發(fā)明實施例的發(fā)光二極管1的俯視平面圖。發(fā)光表面被 分割成若干子段61、62、63、64，每個子段包括完全覆蓋相應(yīng)子段的光子晶體103、104、105、 106。為了簡單起見，不是所有子段和所有光子晶體都分配了附圖標(biāo)記。對于近似Imm2的 發(fā)光表面6而言，優(yōu)選的是將發(fā)光表面6分割成近似100-2500個子段。對于更大的發(fā)光表 面而言，子段的數(shù)量可以增加。不同子段的光子晶體可以具有不同的特性(晶格參數(shù))。例如，具有小點的子段(或區(qū)域)表示具有特定直徑的孔(或柱)的光子晶體，而具有小圓的 子段表示具有另一特定直徑的孔(或柱)(即不同的填充率)的光子晶體。而且，豎直畫線 區(qū)域表示具有特定取向的光子晶體，而其他方向畫線的區(qū)域表示具有另一特定取向的光子 晶體。應(yīng)當(dāng)理解的是，所有子段都設(shè)有光子晶體，即使光子晶體未被圖3中具有特定圖案的 子段表示，也是如此。不同的光子晶體以變化的方式設(shè)置，使得鄰近光子晶體的遠(yuǎn)場模式改 善了來自發(fā)光表面6內(nèi)(或者更特別地N型層內(nèi))的所有光子晶體的總遠(yuǎn)場模式的均勻性。在另一工作實例中，不同的光子晶體相對于其鄰居旋轉(zhuǎn)(所有其他晶格參數(shù)對于 所述光子晶體是相同的)。這僅在以下情況下才是可能的遠(yuǎn)場模式表現(xiàn)出旋轉(zhuǎn)不對稱性， 即遠(yuǎn)場模式應(yīng)當(dāng)例如不包括相對于遠(yuǎn)場模式的中心居中的同心圓。然而，如果遠(yuǎn)場模式是 六角形，那么它可以被旋轉(zhuǎn)，使得它與旋轉(zhuǎn)之前的外觀相同，即旋轉(zhuǎn)對稱角對于該特定遠(yuǎn)場 模式存在。對于這樣的遠(yuǎn)場模式而言，重要的是選擇旋轉(zhuǎn)角，使得旋轉(zhuǎn)角不同于上述旋轉(zhuǎn)對 稱角。依照如圖4中所示的LED 1，包括光子晶體的不同子段101、102彼此隔開。形成 光子晶體之間的區(qū)域200。光可以從區(qū)域200發(fā)射。優(yōu)選的是，區(qū)域200盡可能小，或者甚 至不存在(像圖3中那樣)。在圖4中，不同子段101、102為正方形形狀，但是諸如矩形或 六角形之類的其他形狀也可以使用。甚至有可能使用或多或少隨機的多邊形形狀的光子晶 體。此外，在圖4中，示出了設(shè)置在光子晶體101、102之間的粗糙化區(qū)域R，所述光子晶體 101,102在至少一個晶格參數(shù)方面彼此不同?，F(xiàn)在參照圖5，示出了本發(fā)明發(fā)光二極管1的另一示例性實施例。發(fā)光二極管1的 截面圖展示了依照本發(fā)明實施例的發(fā)光二極管的成分(自頂至底，為了清楚起見省略了一 些部件)；包括PC 101、102、103的N型層21，P型層30以及活性區(qū)4。在這個實例中，N型 層包括PC，但是應(yīng)當(dāng)指出的是，光子晶體層可以延伸到活性區(qū)中并且可能地也延伸到P型 層中。此外，LED 1包括電極層，其水平地分離成若干子電極41-45。換言之，底部反射電極 層劃分成若干由非傳導(dǎo)阻擋物(barrier)51分開的子電極層41、42、43、44、45。在該實例 中，優(yōu)選的是對于所述孔和柱使用N型層的基本上整個深度，從而形成光子晶體101、102、 103。因此，優(yōu)選的是光子晶體層盡可能遠(yuǎn)地延伸到N型層中。對于大多數(shù)應(yīng)用而言，希望 的是小于1微米厚度的包括近似相同深度的光子晶體結(jié)構(gòu)的N型層。阻擋物51從底部子 電極41-45且包括所述底部子電極向上延伸到但不包括P型層30。子電極41-45可單獨控 制以便激活活性區(qū)的不同部分。因此，當(dāng)激活活性區(qū)的不同部分時，將激活不同的光子晶體 結(jié)構(gòu)。通過這種方式，可以動態(tài)地控制整個LED 1的遠(yuǎn)場模式。如圖6中所顯示的，在依照本發(fā)明的LED 1的另一實例中，光子晶體具有與子電極 41-45的尺寸和形狀匹配的尺寸和形狀。此外，光子晶體被對準(zhǔn)，使得每個光子晶體與匹配 的子電極相應(yīng)。由于具有相應(yīng)活性區(qū)部分的每個子電極可以單獨地激活，因而提供了對于 遠(yuǎn)場模式的增加的控制。參照圖7，示出了依照本發(fā)明的LED 1的另一工作實例。除了將P型層分離成P型 層子區(qū)之外，該實例與圖6中所示LED類似。即使在P型層中從子電極41-45散布的電流 非常有限，也有可能通過如下將P型層劃分成子區(qū)來改善活性區(qū)的分離。LED 1還包括水平 分離成若干子區(qū)31-35的P型層。換言之，該P型層劃分成若干由非傳導(dǎo)阻擋物51分離的 子P型層31、32、33、34、35。阻擋物51從底部電極且包括所述底部電極向上延伸到但不包括活性區(qū)4。子電極41_45(以及相應(yīng)的P型層子區(qū))可單獨控制以便激活活性區(qū)的不同 部分。像在前面的工作實例中一樣，當(dāng)激活活性區(qū)的不同部分時，將激活不同的光子晶體結(jié) 構(gòu)。因此，可以動態(tài)地控制整個LED 1的遠(yuǎn)場模式。在子電極配置的其他實例中，可以將子 電極分組成例如三組，所述組可單獨控制以便選擇與對應(yīng)的子電極組及其相應(yīng)的光子晶體 關(guān)聯(lián)的遠(yuǎn)場模式。即使已經(jīng)參照其特定實例描述了本發(fā)明，但是許多不同的改變、修改等等 對于本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)變得清楚明白。因此，所描述的實例并非意在限制由所附權(quán)利要 求書限定的本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
一種半導(dǎo)體發(fā)光二極管(1，LED)，包括用于跨設(shè)置在第一類型半導(dǎo)體層(21)與第二類型半導(dǎo)體層(30)之間以便產(chǎn)生光的活性區(qū)(4)施加電壓的第一和第二電極(40，11)，用于發(fā)射所述光的發(fā)光表面(6)以及設(shè)置在所述發(fā)光表面(6)與所述活性區(qū)(4)之間的多個光子晶體(101，102)，其特征在于，在所述多個光子晶體(101，102)中選擇的至少兩個第一和第二類型的光子晶體(101，102)適于從所述活性區(qū)(4)提取光并且在至少一個晶格參數(shù)方面彼此不同，所述至少兩個光子晶體(101，102)中的每一個與對應(yīng)的遠(yuǎn)場模式關(guān)聯(lián)，其中提供所述多個光子晶體(101，102)的布置以便設(shè)置所述至少兩個光子晶體(101，102)，使得通過組合與所述至少兩個光子晶體(101，102)中的每一個關(guān)聯(lián)的所述對應(yīng)的遠(yuǎn)場模式形成來自所述LED(1)中產(chǎn)生的光的遠(yuǎn)場模式。
2.依照權(quán)利要求1的LED(I)，其中所述布置被設(shè)置成以一定的方式放置所述至少兩個 光子晶體(101，102)，使得與所述至少兩個光子晶體中的每一個關(guān)聯(lián)的所述對應(yīng)的遠(yuǎn)場模 式的不規(guī)則性至少部分地不重疊。
3.依照前面的權(quán)利要求中任何一項的LED(I)，其中所述至少一個晶格參數(shù)是晶格取 向、晶格間距、晶格類型或填充率之一或者其組合。
4.依照前面的權(quán)利要求中任何一項的LED(I)，其中所述晶格類型包括六角形、三角 形、立方結(jié)構(gòu)、向日葵結(jié)構(gòu)或阿基米德平鋪中的至少一個。
5.依照前面的權(quán)利要求中任何一項的LED(I)，其中所述第一類型半導(dǎo)體層(21)為設(shè) 置在所述活性區(qū)(4)與所述發(fā)光表面之間的N型半導(dǎo)體層并且所述第二類型半導(dǎo)體層(30) 為設(shè)置在與所述第一類型半導(dǎo)體層(21)相比的所述活性區(qū)(4)的相對側(cè)的P型半導(dǎo)體層。
6.依照權(quán)利要求1-4中任何一項的LED(I)，其中所述第一類型半導(dǎo)體層(21)為設(shè)置 在所述活性區(qū)(4)與所述發(fā)光表面(6)之間的P型半導(dǎo)體層并且所述第二類型半導(dǎo)體層 (30)為設(shè)置在與所述第一類型半導(dǎo)體層(21)相比的所述活性區(qū)(4)的相對側(cè)的N型半導(dǎo) 體層。
7.依照前面的權(quán)利要求中任何一項的LED(I)，其中所述光子晶體包括光子準(zhǔn)晶體。
8.依照前面的權(quán)利要求中任何一項的LED1，其中所述LED的所述發(fā)光表面(6)包括 粗糙化區(qū)域(R)。
9.依照前面的權(quán)利要求中任何一項的LED(l)，其中所述光子晶體(101，102)被設(shè)置成 彼此鄰近以便利用光子晶體(101，102，103)連續(xù)地覆蓋所述LED(I)的所述發(fā)光表面(6) 的至少一部分。
10.依照前面的權(quán)利要求中任何一項的LED(I)，其中所述第二電極包括設(shè)置在與所述 發(fā)光表面相比的所述活性區(qū)的相對側(cè)的子電極，其中第一和第二子電極分別與第一和第二 類型的對應(yīng)光子晶體關(guān)聯(lián)，可以通過向所述第一和第二子電極中的每一個施加對應(yīng)的電壓 來單獨控制所述第一和第二子電極，其中由于來自第一和第二類型的所述光子晶體的遠(yuǎn)場 模式之間的差異的原因，可以動態(tài)地控制所述LED的遠(yuǎn)場模式。
11.依照權(quán)利要求10的LED(I)，其中所述子電極(41-45)的尺寸和形狀與所述對應(yīng)的 光子晶體(101，102)的尺寸和形狀匹配。
12.依照權(quán)利要求10-11中任何一項的LED(I)，其中每個子電極(41-45)與所述對應(yīng) 的光子晶體(101,102)對準(zhǔn)。
13.依照權(quán)利要求10-12中任何一項的LED(I)，其中設(shè)置在與所述發(fā)光表面(6)相比 的所述活性區(qū)(4)的相對側(cè)的所述第二類型半導(dǎo)體層(30)被劃分成子元件，每個子元件與 相應(yīng)的子電極關(guān)聯(lián)。
14.依照權(quán)利要求10-13中任何一項的LED(I)，其中所述發(fā)光表面包括微透鏡、彩色區(qū) 域、發(fā)光材料覆蓋區(qū)域中的至少一個或者其組合。
全文摘要
一種半導(dǎo)體發(fā)光二極管(1，LED)，包括用于跨產(chǎn)生光的活性區(qū)(4)施加電壓的第一和第二電極(40，11)、發(fā)光表面(6)以及多個光子晶體(101，102)。此外，至少兩個第一和第二類型的光子晶體(101，102)適于從活性區(qū)(4)提取光并且在至少一個晶格參數(shù)方面彼此不同。所述至少兩個光子晶體(101，102)中的每一個與對應(yīng)的遠(yuǎn)場模式關(guān)聯(lián)，其中提供所述多個光子晶體(101，102)的布置以便設(shè)置所述至少兩個光子晶體(101，102)。通過這種方式，通過組合與所述至少兩個光子晶體(101，102)中的每一個關(guān)聯(lián)的所述對應(yīng)的遠(yuǎn)場模式形成遠(yuǎn)場模式。
文檔編號H01L33/02GK101904020SQ200880121372
公開日2010年12月1日 申請日期2008年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月18日
發(fā)明者H·A·范斯普蘭格, M·A·弗舒?zhèn)?申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司